MODELISATION DES RESEAUX ELECTRIQUES HT EN REGIME DE SURTENSION DE FOUDRE

MODELISATION DES RESEAUX ELECTRIQUES HT EN REGIME DE

SURTENSION DE FOUDRE 

PAR 

TUKA BIABA SAMUEL Garcia

             Chef de travaux  : ISTA/KIN et  ISTA/Kindu Maniema, Génie Electrique, Kinshasa, République Démocratique du Congo.

             Email         : tukasamuel23@gmail.com.

Résumé

Ces dernières décennies, les perturbations électromagnétiques deviennent de plus en plus gênantes pour les systèmes électriques et/ou électroniques. Ces derniers peuvent être aussi une source de perturbations pour les systèmes voisins ou les autres utilisateurs du même système.  Ceci donne naissance à une discipline nommée : la compatibilité électromagnétique CEM c’est-à-dire l’art de faire fonctionner des systèmes électriques sensibles dans un environnement électromagnétique perturbé mais aussi de réduire les perturbations engendrées par les systèmes électriques dès leur conception.  De multiples normes sont donc apparues et apparaissent encore afin de réglementer les niveaux de rayonnement électromagnétique que les systèmes doivent supporter sans modification de leur fonctionnement normal ainsi que les niveaux de perturbations électromagnétiques maximales qu’ils produisent au cours de leur fonctionnement.

Les champs susceptibles de perturber le bon fonctionnement d’un réseau d’énergie électrique proviennent principalement de : 

  • Phénomènes transitoires dus aux opérations des disjoncteurs et des sectionneurs. 
  • Phénomènes transitoires dus aux perforations des diélectriques. 
  • Surtensions et surintensités dues au court-circuit dans les systèmes de la mise à la terre. 
  • Phénomènes transitoires dus aux impacts directs ou indirects de la foudre. 
  • Sources électromagnétiques non spécifiques aux réseaux d’énergie, comme les transitoires hautes fréquences des équipements basse tension, les décharges électrostatiques, et les émissions radio.  ü Phénomènes particuliers, comme l’impulsion électromagnétique nucléaire et l’interférence géomagnétique.

L’objectif de cet article est de développer les modèles et outils de calculs, qui permettent l’estimation des tensions et des courants induits par des champs électromagnétiques externes, plus particulièrement ceux produits par la foudre sur les composants énergétiques des réseaux électriques HT.

Etude du comportement transitoire des réseaux électriques en régime de surtension de foudre est généralement basée sur la théorie des lignes de transmission à composantes électriques R, L, C et G.  Plusieurs équations existent pour leur modélisation en fonction de la forme et de la caractéristique du matériau utilisé dans l’installation.  Dans cet article, la loi d’Ohm, les lois de Kirchhoff, le théorème de Maxwell- Gauss, MaxwellAmpère,  les modèles bi-exponentiels, les modèles dits d’ingénierie et équation d’Alembert ont été choisis et utilisés pour la modélisation analytique de la distribution temporelle du courant de foudre et de la surtension induite sur les composants des réseaux HT pour une bonne protection sélective afin d’illuminer les parasites. Nos  calculs ont été faits dans les réseaux HT associé à la ligne 220kV Kimwenza-Lingwala, situé dans une région où le niveau isokéraunique est très élevé.

Les simulations 2D basées sur des modèles proposés ont été développées ainsi que la vérification de la cohérence des différents modèles, en comparant les dimensions fractales des résultats de nos programmes avec celles des figures obtenues expérimentalement.

Mots clés : Foudre, CEM, effets, perturbations  , Réseaux de transport HT, Equations de  Maxwell, Équation d’ Alembert,  les modèles bi-exponentiels, Modèle d’ingénierie , Modèle de Ligne de transmission.

I. INTRODUCTION 

Bien que la surtension agressive induite par foudre soit de courte durée, son amplitude et sa fréquence perturbent fortement la stabilité sur le plan de tenson et de la continuité de service du réseau surtout dans sa partie transport souvent exposée à l’air libre.   C’est la raison pour laquelle nous avons jugé utile de choisir ce sujet étant donné que, le réseau électrique HT associé à la ligne 220kV Kimwenza-Lingwala est entièrement dans la région où le niveau Kéraunique est très élevé.   Pour garantir la CEM dans ce réseau, il faut étudier l’environnement électromagnétique des systèmes composants ce réseau, c’est-àdire, les niveaux d’émission et d’immunité, et s’assurer de leur bon fonctionnement en les situant dans les marges imposées par les normes CEM.

Actuellement, l’étude de la compatibilité électromagnétique (CEM) des systèmes électriques et électroniques est devenue d’une importance primordiale. Nous savons bien que tout système électrique et/ou électronique peut devenir « victime » de l’environnement électromagnétique (EM) dans lequel il opère, tandis qu’il peut être une source de perturbations pour les systèmes voisins ou les autres utilisateurs du même système. Il est donc essentiel de se préoccuper, lors de sa conception; d’une part des agressions électromagnétiques qu’il pourra avoir à subir durant son utilisation et sa capacité à leur résister, et d’autre part des perturbations qu’il pourra émettre et des techniques de réduction de ces perturbations. Ceci doit se faire dans le cadre du respect des normes internationales relatives à la CEM [1].   Parmi les perturbations électromagnétiques qui peuvent atteindre les réseaux d’énergie électrique sont celles produites par des phénomènes naturels tels que la foudre [2].

Le développement considérable du réseau de transport d’énergie électrique dans ses différentes composantes qui assurent une répartition optimale des transits de puissance, la connaissance en temps réel des grandeurs électriques caractéristiques de ces dernières permet d’en assurer le contrôle et la commande et conduit progressivement à l’étude des perturbations diverses [ 1 ] ; par leur mode de transmission tel que le phénomène de propagation des ondes qui est à la base de nombreux cas de transmission d’informations tels que les ondes hertziennes, les réseaux de télécommunication, les réseaux de distribution d’énergie, la foudre, l’impulsion électromagnétique nucléaire [ 2 ] ; par leur forme notamment, les interruptions, le phénomène de flicker et les hautes fréquences [ 3] ; et par le fait qu’ils affectent les organes électriques ou humains [ 4 ].

Par ordre de priorité et de taux d’impact dans les classes de contrainte, la foudre représente le phénomène naturel imprévisible et le plus nocif sur tous les systèmes électro-énergétiques [ 5 ] et si l’on peut affirmer qu’aujourd’hui, les transporteurs d’énergie contrôlent adéquatement la protection des contre les défauts accidentels internes, ce n’est pas le cas pour sa protection contre la foudre, surtout lors d’un impact indirect où il rayonne des champs électromagnétiques importants et qui induiront par couplage électromagnétique des surtensions cruelles dans leurs cibles, notamment les réseaux de transport d’énergie électrique. [6]][7]. 

La ville de Kinshasa, géographiquement se retrouve en Afrique centrale, une région du monde qui est régulièrement arrosée par la foudre [3] [6]][7][8]][9][10]][11].  A ce titre, cet article traite la problématique du couplage de l’onde de choc de type foudre et les lignes électriques HT lors de l’injection du courant de foudre sur les composants énergétiques tels que le fils de garde, le conducteur de phase-parafoudre et le transformateur de puissance.    Les calculs sont faits dans le réseau électrique HT associé à la ligne 220kV Kimwenza-Lingwala, situé dans une région où le niveau isokéraunique est très élevé. Et, offre de possibilités d’évaluer le niveau de surtension induite par la foudre aux différents points de cette ligne. 

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